加速管内の高速物体の移動時間を計測する方法とは？

質問

• 加速管内で高速で移動している物体の移動時間を計測したいと考えています。測定地点を３点設け、２つのレーザーと１つのパルスレーザーを使用して計測します。
• 物体が２つのレーザーを横断するたびに、パルスレーザーによるパルスを送ります。パルス数に基づいて移動時間を算出し、３つの測定地点を通過するまでの所要時間を求めます。
• この方法を用いて、加速管内の高速物体が３つの測定地点を通過するまでにかかる時間を計測することができます。

回答No.4

inara1

1ns という時間はとんでもなく短い時間です（この時間に光は 30cm しか進みません）。速度をどれくらいの精度で測定したいかによって、必要な時間分解能（クロック周波数）を決めたほうがいいです。その結果から、フォトデテクタに必要な応答速度も決まります。

秒速 v (m/s) の速度を測定するために、距離が L (m) 離れた２つのフォトデテクタを置いたとき、フォトデテクタからの信号の遅延時間（ANo.2のΔt）は
　　　Δt = L/v
となります。このΔt を相対誤差 1% 未満精度で測定したいとき、必要な基準クロック（CLK）の周期を Δt の1% 未満にします。例えば、v = 300 m/s、L = 10cm のとき、Δt = 0.1/300 = 333μs なので、Δt を相対誤差 1% 未満の精度で測定するには、基準クロックの周期を 333μs の1%の 3.33μs 未満とします（1ns という短い基準時間は全く必要ありません）。この周期を周波数に換算すると 1/3.33μs = 300kHz になります。一般的な周波数カウンタの基準クロックは 10MHz ですから、v = 300 m/s、L = 10cmのとき、0.0003% の誤差で速度を測定できることになります。普通の物体の速度計測なら、基準クロックは 10MHz で充分だと思いますが、実際にどれくらいの速度を計測したいのでしょうか。

時間差データをＰＣに取り込むにはPICマイコンを使うのがいいと思います。PICの割り込み機能を使って、2つの入力信号が変化した時間差を測定できます。私はPICマイコンに詳しくないので、その部分は別質問してください（以下のような質問文はどうでしょうか。数字は適当に書き換えてください）。

↓ここから
PICマイコンを使った分解能1μsの時間差測定とPCへのデータ取込み方法について
PICマイコンを使って、レベル0-5Vの2つの信号A、Bの立ち上がり時間の差を、分解能1μs・最大時間100ms程度で測定し、USBコネクタでPCに時間差データを転送する方法を教えてください。

信号A、B は通常はLレベルで、Hレベルのパルス幅が10μsから1ms程度の単発パルスです。信号A、B のパルス幅は同じですが、Bのほうが数μs から数十msの遅延があります。

マイコンのクロックに10MHzとか20MHzなどの切りのいい周波数を使い、PICマイコンの割り込みを使う方法があるようなのですが、適切なPICマイコンの型番とプログラミング法、PCとインターフェースの方法などが書かれたサイトなど紹介して頂けると助かります。
↑ここまで

光源は [1] のような安価な赤色レーザでいいと思います（可視光なら光軸合わせも簡単）。フォトデテクタは [2] 、フォトデテクタの信号を増幅するオペアンプは [3] がいいでしょう。フォトデテクタの信号を増幅する回路（PICマイコン手前まで）なら提示できます。

[1]　赤色レーザー発光モジュール（500円）　http://akizukidenshi.com/catalog/g/gM-00765/
[2]　超高速ＰＩＮフォトダイオード（5個200円）　http://akizukidenshi.com/catalog/g/gI-02984/
[3]　LM6365 DIPモジュール（400円） http://akizukidenshi.com/catalog/g/gI-03112/

補足

毎日の質問に対し回答ありがとうございます。

時間分解能1 [ns]という数字をなめていました。素人発言で申し訳ないです。
今回は加速管の長さが10 [m]で測定地点を3点設けて（測定間隔2 [m]）で、物体が初速度100 [m/s]で打ち出されるというものを仮定したいと思います。

具体的な計算法や質問文まで考えてくださって本当にありがとうございます。
早速inara1さんのもので質問したいと思います。

また、上記のシステムの設定について追加の回答・解説・指摘があればお願いします。